现代竹结构抗震性能研究进展

李 晨，张 军

（扬州工业职业技术学院建筑工程学院，江苏 扬州 225100）

我国处于环太平洋地震带与欧亚地震带之中，受到太平洋、印度洋和菲律宾海等3 大板块的不断挤压，地震活动频度较高，导致我国西南、西北地区地震频发。20世纪以来，我国出现过多次大地震，如唐山地震、汶川地震及雅安地震等，造成了惨重的损害，建筑结构如何更好地抗震防震也是工程界一直致力研究的重点问题。

竹材是一种绿色节能环保建筑材料，吸碳固碳能力出色，废弃后也能较短时间内自然降解，大力推广应用竹结构建筑，符合绿色建筑发展理念，契合国家碳达峰、碳中和重要战略发展目标。竹材与木材相似，具有自重轻、塑性与韧性好的优点，在地震过程中，相比混凝土结构，竹结构产生的地震效应较小。目前，竹结构抗震设计规范还暂未编制出版，结构设计基本以木结构抗震设计规范作为参考，存在一定的偏差性。

1 竹结构构件抗震性能研究

竹质剪力墙的抗震性能是众多学者主要开展研究的重点，熊泽龙[1]制作了三面带钢板连接件的重组竹剪力墙，三面墙体的钉间距不同，对墙体开展了低周往复试验研究，考察不同钉间距对剪力墙的抗震性能的影响，试验结果表明，剪力墙通过设置钢板连接件连接后整体强度和刚度均较高，并且其中钉间距100 mm 的墙体抗侧性能最好。根据理论分析推导了竹剪力墙抗侧刚度的计算公式，并提出了轻质竹结构体系的优化结构与集成方式。

在研究过程中，研究者们均发现竹结构构件刚度较低，在受力过程中容易发生明显变形，竹质剪力墙体设计主要控制因素是挠度，为能够更好地充分利用竹材的强度，部分学者设计了竹-木组合墙体、钢-竹组合墙体，并对墙体开展了抗震性能研究。李智等[2]为了推广胶合竹材在轻型木结构等建筑结构中的运用，根据美国ASTM E2126-09 墙体试验标准，设计了2 种不同连接钉型的轻型竹-木组合剪力墙，采用10 mm 厚竹胶合板作为覆面板，分别采用相同长度的圆射钉和钢排钉连接。对墙体开展了滞回加载试验，研究组合剪力墙的抗震性能。试验结果表明，2 种相同长度但不同延性的国产射钉连接下，采用钢排钉承载力高于圆射钉。荷载作用下墙体具有良好的延性，可以满足目前国内外规范中针对轻型木结构墙体提出的抗侧力设计要求。李玉顺等[3]提出了一种新型的钢-竹轻质组合墙体，墙体以压型钢板为骨架芯板，竹帘胶合板作为覆面板粘贴在两侧钢板上，并对墙体开展抗震性能研究。结果表明，影响组合墙体承载力和抗震性能的主要因素是压型钢板的厚度和波高，而竹帘胶合板厚度对墙体的水平抗剪强度和刚度的影响不大；同时根据弹性阶段组合墙体的应力-应变关系，提出了组合墙体的力学简化模型及承载力计算方法。许杰[4]设计了一种以竹材胶合板为主要结构材料、冷弯薄壁C 型钢为龙骨的节能型钢-竹组合墙体，并对墙体开展了抗震试验。试验结果表明，组合墙体滞回曲线在加载前期基本呈现梭形，后期发展为反S 形，其中墙顶位移较大，最终由于墙体边缘处型钢龙骨的屈服而发生弯曲破坏，受力过程中组合墙体的延性性能较好。试验中发现型钢壁厚及截面尺寸是提高墙体承载力的关键影响因素，而竹材覆面板的厚度变化对承载力无明显影响。江忠画等[5]在冷弯薄壁型钢墙体表面覆盖了木碳纤维板，并对两榀墙体足尺试件进行了低周往复试验，研究竹木碳纤维板对冷弯薄壁型钢墙体抗震性能的影响。试验结果表明，在往复荷载作用下最终墙面板发生承压破坏，连接螺钉发生剪切破坏，同时立柱、刚性斜撑发生弯扭屈曲，下导轨、刚性横撑局部屈曲。墙体受力过程中竹木碳纤维板起到明显的支撑作用，与无覆板墙体相比，覆板后墙体的承载能力、抗侧刚度和耗能能力明显提升。高宛成等[6]设计制作了7 片以竹胶合板作为覆面板的钢-竹组合墙体试件，对墙体抗震性能进行了研究。试验发现在地震荷载作用下，组合墙体滞回性能比不覆面板时优越，但仍存在较大的粘结滑移和捏缩现象，单面覆板的组合墙体耗能系数优于不覆面墙体。通过上述研究发现，采用竹板作为覆面板、型钢作为骨架的钢-竹组合墙体能够有效地提升墙体抗震性能，组合方式切实可行，但影响组合墙体承载力和抗震性能的主要因素是型钢的尺寸，而竹板厚度对墙体的抗震性能影响不大。

田黎敏等[7-8]设计了2 种组合墙体，一种为喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体，另一种为喷涂轻质复合砂浆-密布原竹组合墙体，并分别开展了抗震试验研究。研究表明，喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体受剪承载力、抗侧刚度及抗震性能均优于原竹骨架墙体；喷涂轻质复合砂浆-密布原竹组合墙体的主要破坏模式为抗拔件被拉出，墙体底部发生破坏，墙体的延性和耗能能力较好，且具有较高的抗剪承载力和初始抗侧刚度。与压型钢板-竹胶板组合墙体相比，喷涂轻质复合砂浆-密布原竹组合墙体具有更好的抗震性能和耗能能力；与喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体相比，喷涂轻质复合砂浆-密布原竹组合墙体经济性好。

除了竹质剪力墙构件抗震性能研究以外，部分学者还开展了钢-竹组合柱的抗震性能研究。蒋天元[9]提出了一种新型的钢-竹组合柱，以2 块薄壁C 型钢为基本骨架进行拼接，在型钢腹板及翼缘处用结构胶黏剂黏结4 块竹帘胶合板，形成截面形式为箱型的钢-竹组合柱，并对5 根不同尺寸的组合柱开展了抗震试验研究。试验结果表明，组合柱长细比和钢板厚度是影响柱极限承载力和刚度的主要因素，而影响柱延性性能的主要因素是轴压比。赵卫锋[10]以胶合竹板为主材，研发了一种新型的横向拉杆约束薄壁型钢管/多层竹胶板组合空芯柱（SBCCB），对9 根试件进行了低周反复试验。结果表明，SBCCB 破坏形态主要为柱脚胶合面的开裂破坏和胶合竹板材料横向断裂破坏，截面组合方式对其破坏模式有显著影响，增大组合柱截面尺寸和长细比能改善其抗震性能，组合柱有较好的侧向弹性变形能力和耗能性能，而弹塑性变形和延性能力不具优势。

2 竹结构节点抗震性能研究

竹结构节点连接方式主要有榫卯连接、齿板连接、钉接和螺栓连接等，通过研究发现榫卯连接、齿板连接、钉接的节点承载力较低。目前，现代木结构建筑最常用的是螺栓连接。冯立[11]选取了一个4 榀梁柱螺栓节点框架，对节点开展了低周往复试验，研究发现节点螺栓群在受力过程中受力不均匀，各螺栓弯曲变形大小不同，受力过程中作为基材的胶合竹发生撕裂，最终导致节点发生破坏。冯岩[12]针对竹框架结构中存在的结构柱蠕变过大从而需要增大设计尺寸的问题，设计了一种新型钢柱-工程竹梁的组合框架体系，梁柱连接节点区域由上下2 块耗能板和一个铰组成。对耗能节点开展了低周往复荷载试验，发现新型耗能节点的耗能性能良好，受力过程中竹梁、钢柱与耗能节点处的连接保持良好，耗能板均率先进入非线性并且出现屈曲，并提出了一个由简化的对称三折线骨架曲线和简化六边形滞回规则构成的恢复力模型。魏孝胜[13]提出了一种连接钢柱和竹梁的新型耗能节点，并对足尺耗能节点进行低周反复荷载试验。试验结果表明，节点破坏位置均为耗能板处，节点的弹性刚度与耗能板的跨厚比无关，节点峰值弯矩随着耗能板跨厚比的减小而增大，耗能板跨厚比大于10 的节点延性和耗能性能优于跨厚比小于10 的节点。蒋天元[9]对工字型钢-竹组合梁和箱型钢-竹组合柱的连接节点开展抗震性能研究。试验结果表明，连接节点处螺栓强度等级和个数对组合梁柱节点的极限承载力和节点核心区剪切变形的影响不大，通过在节点区域设置加劲肋能够有效地提升节点的转角刚度和抗震性能。周军文等[14]提出了一种新型的竹木框架装配节点，并设计了3 个不同尺寸的足尺节点试件开展试验研究。试验结果发现节点的破坏模式为梁翼缘钢板受压屈曲，节点柱套板厚度对节点的耗能能力和承载力有明显的影响。

3 竹结构整体抗震性能研究

2008年汶川地震后，为了加快震后重建工作，由南京林业大学张齐生院士和东南大学吕志涛院士共同主持了“灾后重建新型抗震竹质工程材料安居示范房的设计与建造研究”项目，按照抗震设防烈度8 度设计并建设了竹质工程材料安居示范房，如图1所示。吕清芳等[15]对新型抗震竹质工程材料安居示范房设计方法及建设关键技术进行了介绍，安居示范房采用竹帘胶合板制作楼屋面板及墙板构件、竹材层积材制作梁、竹材重组材制作柱，采用梁-柱+搁栅-墙骨柱构成的多约束、多传力路径的受力体系，抗震性能优异。同样为了支持四川地震灾区震后重建工作，肖岩等[16]在湖南大学设计并建设了一幢轻型竹结构别墅，如图2所示。轻型竹结构住宅采用框架结构，抗震设计参照了《Uniform Building Code》中轻型木结构住宅设计方法。通过剪力墙和横隔层形成的侧向力抵抗系统来抵抗风或地震产生的侧向力。

图1 竹结构安居示范房

图2 湖南大学竹结构别墅

2012年，Luna[17]等对一个2 层胶合竹框架结构进行了横向荷载试验，其中3 个节点处设置K 型支撑，试验发现该框架结构具有良好的延性。章丛俊等[18]对2层3×4 跨的纯框架结构竹结构缩尺模型开展了振动台试验，试验采用实际地震记录El Centro 波、Taft 波和模拟地震波SHW 波作为振动台的地震波输入。试验发现竹结构的主体框架具有较好的耗能能力和优异的抗震性能，但结构在地震作用下的侧移较大，建议结构设计中可以通过增强构件的连接刚度、增大柱截面和增设支撑等措施来减小结构的侧移。翟佳磊等[19]设计并制作了2 榀2 层单跨钢-竹组合框架及2 个钢-竹组合框架节点模型，通过试验研究发现，钢-竹组合框架结构的破坏是由于框架节点域受到较大剪切变形，使得框架柱的竹胶板和槽钢产生脱胶，导致框架柱失去承载力而发生破坏；设置加劲肋后框架结构节点域刚度、承载力、耗能能力得到大幅提升。陈国等[20]设计了一个轻型竹结构房屋的缩尺模型，并开展振动台试验和推覆试验。试验结果表明，在0.3 g 以下的地震中，结构处于弹性状态，施加多次重复地震荷载，结构会发生轻微破坏但不会发生倒塌。试验中结构在0.1、0.3、0.4、0.5 g的地震中最大层间位移角小于规范中的限值。杨锐等[21]对一幢竹框架剪力墙结构建筑进行了抗震性能模拟分析，通过分析得出，多遇地震水准下，结构层间位移角均小于1/1 000，能够较好地满足小震情况下整体结构处于弹性范围的要求；在罕遇地震水准中，结构的最大层间位移角均大于1/100，说明结构整体抗震性能良好。郭继清[22]通过模拟分析研究了设置支撑的竹框架结构的抗震性能，并进行了支撑布置的优化分析。结果表明，通过布置支撑能够有效地减小竹结构在地震作用下的侧移。Li 等[23]对竹材多层抗震框架结构开展了数值模拟分析，结果表明，对于重组竹柱典型的2 种破坏模式为横向变形过大不能继续承载破坏和顶部纤维撕裂破坏；重组竹柱在卸载后可恢复80%以上的变形，具有优良的弹性回复；重组竹柱能否承受梁的载荷实际上是由刚度控制的，而不是强度。Lv 等[24]对一个带摩擦阻尼器的CLB 墙体开展了试验研究和分析，结果表明，CLB 墙体微小的变形表现出理想的自恢复能力，累积能量耗散曲线表明，CLB 墙体的能量耗散能力可以通过CFD 大大提高，根据CLB 材料和后张钢筋的应变、应力和损伤程度，提出了CLB 墙体在侧向力作用下的极限状态。

4 结束语

根据本文分析介绍的国内外现代竹结构抗震性能的研究与应用现状发现，现阶段现代竹结构抗震性能研究已有一定成果，但是还需要在以下几方面进一步深入探讨研究：①结构体系。目前整体结构抗震研究基本以框架结构为主，并且层数基本以1～2 层为主，对于大力推广应用竹结构建筑不具有代表性。②连接形式与性能。通过现有研究基础可以发现单一的纯竹结构的建造高度会受到竹材材料特性的限制，竹-钢、竹-混凝土组合结构和混合结构是重要的发展方向，竹材和钢材、混凝土的连接形式与协同工作机制是研究关键。③设计理论与规范体系完善。“双碳”背景下，大力发展现代竹结构是必然趋势，而目前竹结构抗震设计规范还处于空白，必须加快完善现代竹结构设计理论，为工程设计和施工提供依据。